王 贞 松
1 引论
雷达的最早的应用领域是无线电定位和检测。雷达自身发射电磁波，并接收由目标反射的电磁波，通过测量发射和接收电磁波脉冲信号的时间间隔来确定目标的位置。同时，通过回波被调制的情况来判别目标的运动速度和目标的其他物理特性。它具有全天时、全天候、不受气候影响、穿透力强等优点。雷达常用的电磁波频率在300MHZ 到40,000MHZ。一般将工作在不同频率的雷达分为Ka 波段，K 波段，X 波段，C 波段，L 波段，P 波段，其对应的波长频率如下表： 表1 不同波段雷达频率和波长对应表 波段
Ka K X C L P 波长范围
（cm）
0.8-1.1 1.1-1.7 2.4-3.8 3.8-7.5 15.0-30.0 30.0-100.0频率范围
（MHz） 40,000- 26,000 26,500- 18,500 12,500- 8,000 8,000- 4,000 2,000- 1,000 1,000- 300
现今雷达的应用已不仅局限在探测和定位的领域。合成孔径雷达（SAR）技术的应用已使人们能够通过雷达波照射区域的散射特性得到直观的空间可视图像，不同波长的合成孔径雷达可得到地物的不同特性信息，利用干涉SAR 技术甚至可以获取三维信息和图像，在不同的应用中发挥重要作用。
在雷达系统中，为了提高定位的准确性和信噪比，同时又不致对发射信号峰值功率要求过高，常使用脉冲压缩技术。即发射线性调频信号，使用匹配滤波器对回波进行匹配达到对回波的锐化，从而提高距离向分辨率，提高信噪比。
消防指挥官
在机载应用时常常将雷达天线安装在飞机的头部或腹部，雷达的照射波束与飞行方向垂直（SLAR Side Looking Airborne Radar）。这时雷达的天线尺寸可以长一些（5-6米），在方位方向（飞机的飞行方向）依靠雷达的波束角来获得所需的分辨率，由于波的衍射效应，根据Rayleigh 的判据，天线的照射角（角分辨率）为：
D λ
θ22.1=Δ (1.1)
由式(1.1)可见，为提高雷达的角分辨率往往需要加大天线尺寸或提高雷达的工作频率。这两种方法在实际实现中受到限制。
弹性纤维
所谓合成孔径就是通过信号处理的方法将单个雷达多次照射的结果合成一等效的大尺寸天线阵列从而提高角分辨率，使雷达从用于“探测”目标转变到用于高分辨率“成像”。合成孔径雷达(SAR)就是利用其安装平台的运动，在不同的时刻从不同的位置照射目标，使用信号处理技术将多次照射回波仿真成尺寸长达数百米、甚至数千米长的天线来提高分辨
率，达到对地面目标成像的目的。这种雷达系统的信号处理的具体实现方法是通过由雷达平台和目标的相对速度产生雷达信号的多普勒现象来获得高分辨率的雷达图像。通过使用合成孔径技术使得安装在飞机上的成像雷达天线尺寸缩小，从而可在轻型飞机上安装并节约成本。
SAR作为高分辨率的微波成像雷达逐渐发展起来。SAR所得图像是地域目标的微波散射特性映像，采用多波段、多极化的微波可得到地面不同的信息甚至可对地下进行探测，所以SAR图像相对于一般的光学图像，不仅不受天气影响并且在图像的信息量上也具有相当的优势。SAR自五十年代以来，在经济、科学以及军事领域中得到了广泛的应用。
2 合成孔径雷达的发展和现今状况
合成孔径的原理是由英国剑桥大学凯文迪什实验室（Cavendish Laboratory）的 Martin Ryle 教授发明的，并用此技术建成了合成孔径射电天文望远镜。他因此还获得了1974年的诺贝尔物理奖。早在1951年，美国GOODYEAR公司的Carl Wiley提出使用多普勒频谱分析的办法来改善机载雷达的方位分辨率。
这为人们利用雷达平台运动来合成大孔径雷达提高分辨率的想法提供了基础。1957年美国使用光学处理器做出了X波段雷达的第一幅完全聚焦的正侧视条带工作模式的合成孔径雷达图像。使用光学成像是由于当时的计算机处理速度不能满足SAR成像的要求。一幅SAR图像的原始数据量通常是上亿字节，而且SAR成像的算法复杂，每个像素需要1000次左右的浮点运算。六十年代末，Michigan环境研究院成功地研制了双频双极化民用机载SAR系统，该系统已可使用数字计算机进行非实时的成像处理。二十世纪七十年代电子技术的迅速发展为SAR的数字处理提供了硬件基础，SAR的信号处理由光学转向数字处理。八十年代美国研制了一系列的先进的多波段、多极化、多入射角的机载SAR系统及其实时成像处理器。
在星载SAR方面，1978年美国将第一颗合成孔径雷达卫星Seasat成功地实用于对地球表面的观测，开创了星载SAR的历史。美国于1981年11月和1984年10月又相继发射了“航天飞机成像雷达”SIR-A和SIR-B，1994年4月发射了SIR-C/X-SAR；前苏联于1991年3月发射了Almaz-1星载SAR；欧空局于1991年7月发射了ERS-1；日本于1992年发射了JERS-1；1995年，加拿大发射了RADARSAT。这些国家利用合成孔径雷达技术进行以军事侦察、资源调查、环境监测等为目的的对地观测。在地质和矿产资源勘探方面， SAR可以对地质结构进行普查，对海上的石油勘探提供宝贵的指导性资料；在地形和地貌测绘方面，SAR 可以用来绘制大面积的地理图像。在水资源方面，它可以被用来测定土壤的湿度，及时观察江河湖海的水位，预报和检测灾害情况。1991年的海湾战争中，美国联合监视和目标攻
击雷达系统（joint－stars）中的高分辨率机载SAR与Lacrosse星载SAR系统相互配合使海湾和中东地区全部纳入监视范围之内，为作战指挥系统提供了及时的战场情报。
早期的合成孔径雷达对图像的处理均采用“离线”处理的方式——将雷达的回波数据存储在存储器中，数据的处理和成像工作由地面计算机系统完成。随着CPU计算能力和并行处理技术的进步，可以将雷达数据实时成像处理。具有实时处理的SAR系统可及时提供诸如水灾等自然灾害的第一手资料。另外，有实时成像功能的合成孔径雷达系统，具有全天候的高空侦察能力，在战争中能及时提供战地情况。也可使用实时的合成孔径雷达的图像来为自己定位并通过图像匹配来瞄准目标。实时成像系统在卫星上的应用可使下传数据由原始数据转变为图像数据，可大大提高数据的压缩比；解决高分辨率大幅宽的合成孔径雷达数据的传输瓶颈。
星载合成孔径雷达的几何分辨率已从最初Seasat的25米×25米，发展到Radarsat 的9米×9米。测绘带宽也由Seasat的100公里，发展到以扫描模式工作的Radarsat条带宽度可从450公里到500公里。机载SAR系统的分辨率已达到0.1m。并且SAR的工作模式也由条带（Strip）SAR发展到可进一步提高分辨率的聚束式（Spotlight）和可提供地面高程信息的干涉模式（INSAR）等。随着分辨率和测绘带宽度的提高，成像处理的计算量也成倍的增加，对相应的成像系统也提出了更高要求。
2.1 合成孔径雷达工作的基本原理
2.1.1 合成孔径雷达基本工作模式
图2.1 合成孔径雷达基本工作模式
如图1.1，合成孔径雷达的基本工作模式是条带工作模式：雷达安装在以一定轨道运动的载体上，以图1.2所示的重复脉冲工作方式向地面目标发射线性调频信号，雷达接收地面回波信号并对其进行二维压
缩成像处理。通常情况下合成孔径雷达成像处理过程可以分为方位向（雷达平台运动方向）和距离向（发射信号方向）两个相互垂直的方向来分别处理。在距离向，利用脉冲匹配滤波器对雷达线性调频信号回波进行脉冲压缩即可得到很高的距离向分辨率；在方位向，根据合成孔径原理，其回波的多普勒历史也是一个线性调频信号，同样通过匹配滤波，也可以得到很高的方位向分辨率。两个方向的匹配滤波压缩处理保证了我们能够得到高分辨率的二维合成孔径雷达图像。
发射接收
图2.1.1 合成孔径雷达工作脉冲及回波
2.1.2 SAR 回波信号与脉冲压缩
合成孔径雷达工作于重复脉冲方式，它向地面目标发射的线性调频信号脉冲串可以表示为(2.1)所示的复数形式：
{}()(exp )(00τωPRF n t rect PRF n t p t j t g n t t ⋅−⋅⋅−⋅
=∑∞−∞= (1.2)
其中0ω是雷达发射信号的载频，t 为时间变量，0τ是每个线性调频脉冲的持续时间，
PRF 是发射脉冲重复周期，表示线性调频信号
)(t p t {}2exp )(t k j t p r
t π= (1.3) 式(1.3)中称为发射线性调频信号的调频斜率，rect(t)为：
r k ⎩
⎨⎧=01)(t rect (1.4) 懘泙10≤≤t 经过c t R delay )(2=
的延时，雷达接收到与其相距为的地面点目标的回波，
)(t R ])(2[))(()(20c
t R t g c t R t w t g t a r −⋅−⋅=σ (1.5) 其中0σ为地面点目标的散射系数，)(⋅a w 为天线的方位向发射/接收方位向方向图函
数。为电磁波的传播速度。经过混频和相关检波，去掉载频后，回波信号变为：
8100.3×=c ∑∞−∞=−⋅−⋅−⋅−⋅−⋅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⋅−⋅=n a t c t R t w c t R PRF n t rect c t R PRF n t p c t R j t g )([])
(2[])(2[)(2exp )(20
DUTTAPHRYNUS MELANOSTICTUS00τωσ(1.6) 由于天线方位向方向图函数和回波延时)(t w a c t R )
(2
都是随时间t 的慢变化函数，在合成孔径雷达处理中我们采用stop and go 模型，即设和)(t w a
青岛小港c t R )
新技术新工艺
(只在时刻才发生变化而在其它时刻保持不变，由此我们定义时间变量PRF n t ⋅=PRF n s ⋅=，时间变量t 可以表
示为ττ+=+⋅=s PRF n t ，我们称s 为慢变化时间变量，τ为快变化时间变量，(2.5)式可化为如下二维表示形式：
)()(2)(2)(2exp ),(2000s w c s R rect c s R p c s R j s g a t ⋅⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣
⎡−⋅⎦⎤⎢⎣⎡−⋅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⋅−=τττωστ )}()({]})(2[)(2{exp )(0020ττττδωσrect p c s R c s R j s w t r a ⋅⊗−⋅⎭⎬⎫⎩
⎨⎧−⋅⋅= (1.7) 式中表示对变量r 的卷积，令r ⊗s V x s ⋅=，
2τ
⋅=c r ，x 是随时间慢变化的变量，r 是随时间快变化的变量，将它们代入式(1.7)，则有：
)}/2()(2{)]}([)(2{exp )(),(0020τδωσc r rect r p c x R r x R c j x w x r g t r a ⋅⊗−⋅⎭
⎬⎫⎩⎨⎧−⋅⋅= (1.8) 令
)]([)(2exp )(),(02x R r x R c j x w x r h a a −⎭
⎬⎫⎩⎨⎧−=δω (1.9) )/2()(2)(0
directdrawτc r rect r p c r h t r ⋅= (1.10) 则雷达回波信号可以表示为：
)(),(),(0r h x r h x r g r r a ⊗⋅=σ (1.11)
对于面散射目标，假设其散射函数为),(x r σ，根据矢量叠加原理，其回波信号为： )(),(),(),(r h x r h x r x r g r r a ⊗⊗=σ (1.12)
其中⊗表示对变量r 和x 的二重卷积，从式(1.12)可以看出，合成孔径雷达回波信号是地面目标散射特性函数先后与两个冲击响应函数卷积的结果，因此合成孔径雷达成像的过程就是对回波信号进行两维解卷积。这一过程可由匹配滤波器进行脉冲压缩处理完成。合成孔径雷达成像处理的距离－多普勒算法的基本思路就是将成像分为两步处理，首先，我们使用一维匹配滤波器对只与r 有关的进行距离向脉冲压缩处理；在方位向，由于),(x r g )(r h r
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